Kaltverschweißen ist ein Festkörper-Schweißverfahren, das wenig gar keine Hitze benötigt, um zwei oder mehr Metalloberflächen miteinander zu. Der erste wissenschaftliche Nachweis des Kaltverschweißens wurde 1724racht, als zwei Bleikugeln durch Zusammhen nach Kontakt miteinander verbunden wurden. In den 0er Jahren wurde das Kverschweißen offiziell als allgemeines Materialphänomen anerkannt, bei dem saubere Metalloberflächen, die imakuum zusammengedrückt werden, aneinanderften.
Während es Jahre dauerte, bis das Kaltverschweißen bekannt wurde, ist es heute in Branchen eine unersetzliche Technik – ein einfaches, geniales Verfahren.
Kaltverschweißte Überlappungsverbindungen besitzen einen reduzierten Querschnitt; Stumpfnähte erzeugen einen Grat, der später entfernt wird.
Kaltverschweißen, auch als Kaltpressschweißen oder Kontaktschweißen bekannt, ist ein Verfahren, bei dem zwei saubere Metalloberflächen durch ausreichend hohen Druck miteinander verbunden werden, sodass metallurgische Bindungen entstehen. Im Gegensatz anderen Schweißverfahren, bei denen Hitze und geschmolzenes Material zur Verbindung genutzt werden, kann das Kaltverschweißen Metalle ohne Wärmezufuhr nahezu perfekt verbinden.
Unter normalen atmosphärischen Bedingungen reagiert die Metalloberfläche mit Sauerstoff und bildet eine Oxidschicht. Diese Oxidschicht wirkt als Barriere und verhindert die Bindung der Atome. Deshalb muss diese Schicht für das Kaltverschweißen mittels Scherschneiden, Bürsten oder anderen mechanischen und chemischen Methoden entfernt werden.
Die Metalle sollten eine gewisse Duktilität aufweisen und dürfen nicht stark gehärtet sein. Eine weitere Einschränkung: Die Metalle dürfen keinen Kohlenstoff enthalten. Am effektivsten ist Kaltverschweißen im Vakuum, da dort kein Sauerstoff vorhanden ist.
Viele Menschen kennen das Kaltverschweißen nicht, da es sich um ein unkonventionelles Verfahren handelt, das sich vom allgemeinen Schweißverständnis mit Hitze unterscheidet. Manche angeblichen Kaltverschweißverfahren sind in Wahrheit Heißschweißverfahren, bei denen ein leitender Elektrodenwerkstoff oder eine leitfähige Oberfläche verwendet wird.
Cold Metal Transfer ist ein Lichtbogenschweißverfahren, das einen elektrischen Lichtbogen zur Herstellung von Schweißverbindungen nutzt. Dieses MIG-Schweißverfahren wird fälschlicherweise als Kaltverschweißen bezeichnet, weil die Hitzeeinwirkung im Schweißbad um 90 % geringer ist als beim herkömmlichen MIG-Schweißen.
Die sogenannten TIG-Kaltverschweißungen werden durch die drastische Reduzierung der Wärmezufuhr und das präzise Anlegen eines elektrischen Lichtbogens auf einen winzigen Punkt für einen Sekundenbruchteil erzielt. Die Hitze wird schnell abgeleitet, weshalb dieses Verfahren ohne Verschmelzung auskommt und sich nur zum Verbinden dünner Bleche eignet.
Als Voraussetzung für das Kaltverschweißen werden die Metalle durch Entfernen der Oxidschicht mit einer Drahtbürste oder durch Scherschneiden gereinigt. Nach der Entfernung der Oberflächenverunreinigungen können die Metalle unter hohem Druck mit industriellen Maschinen zusammengefügt werden.
Das Schweißverfahren funktioniert auf mikroskopischer Ebene zwischen den Metallatomen, indem Elektronen zwischen die beiden sauberen Oberflächen übertragen werden, sobald sie in Kontakt kommen. Die Kaltverschweißverbindung ist stark und weist nur wenige Unreinheiten oder raue Stellen auf, kann aber bei Verunreinigungen oder Oberflächenunregelmäßigkeiten deutlich schwächer sein.
Zudem ist der Zeitraum zwischen der Reinigung der Metalle und dem eigentlichen Verschweißen entscheidend. Dieses Zeitfenster ist kurz, da die Atome der gereinigten Oberfläche rasch mit der Atmosphäre reagieren. Eine längere Exposition kann zu erheblichen Verunreinigungen führen, die die Festigkeit der Verbindung beeinträchtigen. Diese Verunreinigungen lassen sich durch verschiedene zerstörungsfreie Prüfmethoden nachweisen.
Für dieses vergleichsweise einfache Schweißverfahren werden nur wenige Werkzeuge benötigt: eine Drahtbürste zur Entfernung der Oxidschicht und eine Kaltpressschweißmaschine, um die frisch freigelegten Metallatome zusammenzuführen.
Eine typische Kaltpressschweißmaschine besitzt einen Mechanismus zur Druckausübung (z. B. Exzenterpresse), ein Stanzwerkzeug oder Matrizen als Führung für die Metalle, Walzen für Drähte oder Bleche sowie eine statische Last, die mechanisch oder pneumatisch aufgebracht wird.
Beim Verschweißen von Drähten wird eine Matrize mit passender Größe für den Draht ausgewählt und in die Kaltverschweißmaschine eingesetzt. Meist sind solche Maschinen mit einer Guillotine ausgestattet, um die Drahtenden abzuschneiden und so die Oxidschicht zu entfernen und ebene Flächen zu schaffen.
Die beiden Drähte oder Bänder werden dann unter hohem Druck verbunden. Im Kontaktbereich entsteht ein Grat, und überschüssiges Metall wird entfernt. Besonders in der Halbleiterindustrie hat sich das Kaltverschweißen von Drähten und sehr dünnen Blechen etabliert, da die Bauteile dort kompakt und empfindlich sind.
Die Größe der Kaltpressschweißmaschinen variiert stark je nach Typ und Materialgröße – von handgeführten Geräten zum Verbinden von Kupferdrähten bis hin zu pneumatisch gesteuerten Anlagen.
Metalle mit ähnlicher Metallstruktur und weiche, nicht eisenhaltige Metalle eignen sich am besten fürs Kaltverschweißen, aber auch das Verbinden verschiedener Metalle ist möglich. Zu den häufig kaltverschweißten Metallen gehören:
Ultradünne Goldnanodrähte können innerhalb von Sekunden durch mechanischen Kontakt verbunden werden. Versuche zeigen, dass die Schweißnähte dieselbe Kristallorientierung und die mechanischen Eigenschaften wie der Rest des Nanodrahts aufweisen. Kaltverschweißen im Nanomaßstab wurde auch zwischen Gold und Silber sowie Silberlegierungen durchgeführt, was darauf hindeutet, dass das Verfahren mit weiterer Forschung universell anwendbar sein könnte.
Diese Branchen suchen stets nach Kombinationen leichter und leistungsfähiger Werkstoffe zur Steigerung der Effizienz, Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs etc. Hier kommt das Kaltverschweißen insbesondere beim Schweißen von Aluminium und Edelstahl zum Einsatz. Die Materialien werden keiner hohen Hitze ausgesetzt, wodurch das Risiko einer Versprödung minimiert wird.
Kaltverschweißen ist eine hervorragende Lösung, wenn das Einbringen von Hitze in die Umgebung gefährlich wäre. Ein bekanntes Beispiel ist das sichere Verbinden unterirdischer Leitungen durch Kaltverschweißen, da Hitze dort zur Entzündung von explosionsfähigen Gasen führen könnte.
Wärmetauscher für die Kältetechnik nutzen das Kaltverschweißen zur Herstellung von Rohrdurchführungen in großflächigen Blechen. Auch bei der Fertigung von Lager- oder Verpackungsbehältern kommt das Kaltverschweißen bei Stumpf- oder Überlappungsverbindungen zum Einsatz. Ein zusätzlicher Vorteil: Das Verbinden ohne Hitze erhält die Materialeigenschaften.
Kaltverschweißen liefert die besten Ergebnisse im Vakuum, also unter Ausschluss von Sauerstoff. Daher kam es schon vor, dass Bauteile von Raumfahrzeugen unbeabsichtigt kaltverschweißt wurden.
Ein bekanntes Beispiel liefert die Raumsonde Galileo, bei deren Konstruktion das Risiko des unbeabsichtigten Kaltverschweißens nicht bedacht wurde. Dies brachte die gesamte Mission in Gefahr und hätte die NASA beinahe Milliarden gekostet. Galileo wurde am 9. Oktober 1989 gestartet, um Informationen über Jupiter zu sammeln. Nach 18 Monaten Flug erreichte die Sonde den Planeten, doch drei von achtzehn speziellen Antennen entfalteten sich nicht, weil sie unbeabsichtigt kaltverschweißt waren.
Die beweglichen Teile der Antenne wurden im Laufe der Zeit durch Sauerstoffmangel gereinigt und verschmolzen unter hohem Druck beim Kontakt. Relative Bewegungen zwischen den Oberflächen schließen Kaltverschweißen nicht aus. Das bedeutet, dass Kaltverschweißen gleichzeitig mit Reibkorrosion (Fretting) und Kleben (Galling) auftreten kann, wenn die Metalle wiederholt Stößen und Vibrationen ausgesetzt sind.
Heutzutage werden Gegenmaßnahmen ergriffen, um unbeabsichtigtes Kaltverschweißen zu verhindern. Konstrukteure und Ingenieure konzentrieren sich auf Werkstoffauswahl, Schmierung, Beschichtungen und die Reduzierung der Kontaktfläche.
Andererseits ermöglicht das Kaltverschweißen Astronauten, notwendige Reparaturen direkt außerhalb des Raumfahrzeugs effektiv durchzuführen.
Im Gegensatz zu anderen Schweißmethoden, bei denen die Metalle in den flüssigen oder geschmolzenen Zustand übergehen (Lichtbogenschweißen, Reibschweißen, Punktschweißen etc.), verbindet das Kaltverschweißen Metalle ohne jede Hitzeeinwirkung. Das Verfahren zeichnet sich durch gleichmäßige und feste Ergebnisse aus, da keine Wärmeeinflusszone entsteht. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, müssen Oxidschichten sorgfältig entfernt und Oberflächenunregelmäßigkeiten vermieden werden. Das Verfahren sollte idealerweise im Vakuum durchgeführt werden.
Kaltverschweißen löst einige komplexe Probleme verschiedenster Branchen, ist aber nicht in allen Bereichen überlegen, da es materialbedingt Einschränkungen gibt. So kann es nicht bei Metallen mit Kohlenstoffanteil eingesetzt werden – eine wesentliche Einschränkung, da Baustahl das am häufigsten geschweißte Metall ist.
